Ключевые принципы надежной разводки смешанных (mixed-signal) печатных плат

Довольно часто дизайн печатной платы (PCB) будет содержать как аналоговый раздел, так и цифровой. Аналоговый раздел обычно обуславливает сигнал для оцифровки, а цифровой раздел преобразует аналоговый сигнал в цифровой и затем действует на теперь цифровой доменный сигнал. Сегрегация этих двух блоков дизайна печатной платы очень важна для обеспечения целостности аналоговой схемотехники. Аналоговые цепи обычно высоко восприимчивы к сигналам шума, а цифровые цепи обычно очень электрически шумные. Эта статья попытается пролить свет на некоторые общие правила для избежания проблем смешанной сигнальной разводки и обсудить лучший подход к изоляции вашего аналогового цепевого участка от его цифрового аналога.

Фон

Для быстрого обзора важно обсудить путь возврата высокоскоростных переменных сигналов. При изучении пути возврата постоянного тока, сказанный путь просто будет путем наименьшего сопротивления обратно к исходному компоненту. Пути возврата переменных сигналов следуют пути наименьшего импеданса. Это означает, что токи пути возврата переменных сигналов остаются локализованными в области под их исходными сигнальными трассами. Исключение из этого правила: когда вы прерываете землю под высокоскоростным переменным сигналом, вы заставляете ток возврата для данного сигнала создавать излучающую петлю. Такая петля является как источником, так и приемником излучаемого шума и должна избегаться, когда возможно. Этот краткий обзор должен напомнить читателю одно из двух основных правил снижения EMI (электромагнитных помех): Держите пути возврата максимально близко к их исходным сигнальным путям, чтобы избежать создания петель тока возврата. Другое базовое правило снижения EMI — убедиться, что вы используете только одну референс-плоскость. Если используются две, то печатная плата фактически становится дипольной антенной. С этим быстрым обзором в руках, перейдем к специфике смешанной сигнальной разводки.

Топологии смешанных сигналов

Довольно часто первое стремление дизайнера — просто отделить аналоговую часть платы от цифровой, используя схему аналогового и цифрового заземления. Проблема такого подхода в том, что когда соединения делаются от цифровой к аналоговой стороне платы, плата (как обсуждалось в предыдущем разделе) фактически становится дипольной антенной. Любой такой дизайн будет по своей природе восприимчив к электрическому шуму и так же очень электрически шумным сам по себе.

Другой распространенный подход к этой проблеме — просто соединить аналоговую и цифровую землю вместе в одной точке (часто отрицательная шина используемого источника питания). Это очень плохое решение, так как любые трассы, соединяющие цифровую с аналоговой стороной платы, теперь образуют петлевую антенну через точку соединения земли, которая будет как излучать из вашего дизайна, так и принимать в ваш дизайн электрический шум. Кроме того, трассы, соединяющие независимые заземляющие части вашей платы вместе, фактически создадут дипольную антенну. Оба эффекта дадут очень шумной и шумовосприимчивый дизайн.

Еще один распространенный (хоть и немного более эффективный) подход к проектированию смешанной сигнальной платы — конфигурация, где аналоговая и цифровая части платы напрямую соединяются друг с другом посредством «мостика». Пока цифровая и аналоговая земли напрямую соединяются друг с другом в такой схеме, все соединяющие трассы от аналоговой к цифровой стороне платы трассируются над частью платы, где аналоговая и цифровая земли соединяются. Таким образом высокоскоростные переменные сигналы, идущие между двумя схемами, будут иметь прямой путь возврата, но земельные плоскости все еще будут несколько сегрегированы. Этот мостовый тип конфигурации, в теории, позволит цифровой стороне платы иметь ту же земельную плоскость, что и аналоговая сторона, но с некоторым дополнительным изоляцией, чем просто наличие двух частей платы, разделяющих непрерывную земельную плоскость. Хотя этот тип конфигурации обычно приводит к плате, которая работает хорошо, зачем использовать мостик в первую очередь? Токи возврата высокоскоростных переменных сигналов по своей природе остаются очень близко к их исходным трассам, поэтому необходимость в мостике может быть избежана осознанной трассировкой цифровых сигналов.

Лучший и самый простой подход к завершению смешанной сигнальной разводки — просто разделить печатную плату на аналоговый раздел и цифровой раздел. Эти два раздела могут затем разделять одну и ту же земельную плоскость, которая будет составляться из полигона меди на всей печатной плате. Помехи между двумя сторонами могут тогда легко избегаться, не трассируя высокоскоростные цифровые сигналы на аналоговую часть печатной платы.

Следует отсюда, что в любой из этих конфигураций разделяющая линия, где разделы разделены, будет логическим местоположением аналого-цифрового преобразователя или преобразователей, используемых в дизайне печатной платы. Не невиданно видеть аналого-цифровые преобразователи, переступающие изолированные аналоговые и цифровые земельные плоскости, но как обсуждалось, очень хорошее решение — просто разместить аналого-цифровые преобразователи вдоль разделяющей линии цифровых и аналоговых частей платы, где плата имеет одну непрерывную земельную плоскость.

Наконец, стоит упомянуть другие подходы к изоляции аналоговой от цифровой части платы. Не редко оптически соединять цифровую часть платы с аналоговой стороной посредством использования оптических изоляторов. Таким образом аналоговая и цифровая части платы могут в действительности иметь свои собственные электрически изолированные земельные плоскости. Этот тип конфигурации также работает путем изоляции двух частей печатной платы с использованием трансформатора, где две стороны платы связаны магнитно. Хотя оба подхода валидны, они обычно зарезервированы для специальных приложений.

Общие правила

Вот сводка общих правил разводки смешанной сигнальной печатной платы:
• Начните с определения аналоговых и цифровых частей вашего дизайна.
• Разделите вашу печатную плату на аналоговый и цифровой разделы.
• Убедитесь, что цифровые компоненты и аналоговые компоненты назначены своим соответствующим разделам.
• Никогда не трассируйте цифровые сигналы через аналоговую часть платы и никогда не трассируйте аналоговые сигналы через цифровую часть платы.
• Разместите аналого-цифровые преобразователи так, чтобы они переступали разделяющую линию между аналоговым и цифровым разделами платы.
• Использование одной сплошной земельной плоскости даст лучшие результаты, с дополнительным преимуществом быть самым простым подходом.
• Если сигнальная трасса должна быть трассирована из аналогового в цифровой раздел, убедитесь, что она расположена полностью над земельной плоскостью платы.

Полезные ресурсы:
• Метод подавления отражения сигналов в разводке высокоскоростных печатных плат
• Проблемы высокоскоростного проектирования печатных плат на целостности сигналов и их решения
• Анализ целостности сигналов и проектирование печатных плат на высокоскоростных цифро-аналоговых смешанных схемах
• Контроль импеданса виа и его влияние на целостность сигналов в проектировании печатных плат
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множественные ценности
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки